ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP THƯỜNG SỬ DỤNG TẤM SỢI THỦY TINH BẰNG THỰC NGHIỆM VÀ PHẦN MỀM ABAQUS. LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHÂU HƯỜNG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP THƯỜNG SỬ DỤNG TẤM SỢI THỦY TINH BẰNG THỰC NGHIỆM VÀ PHẦN MỀM ABAQUS LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CHÂU HƯỜNG

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG CẦU

BÊ TÔNG CỐT THÉP THƯỜNG SỬ DỤNG TẤM SỢI THỦY TINH BẰNG THỰC NGHIỆM

VÀ PHẦN MỀM ABAQUS

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng, Năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CHÂU HƯỜNG

ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA MỘT SỐ CẦU TRÊN HỆ THỐNG GIAO THÔNG THUỘC TỈNH TRÀ VINH VÀ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ NÂNG CẤP SỬA CHỮA

Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN MỸ

Đà Nẵng, Năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Học viên thực hiện

Châu Hường

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP

THƯỜNG SỬ DỤNG TẤM SỢI THỦY TINH BẰNG THỰC NGHIỆM VÀ

PHẦN MỀM ABAQUS

Học viên: Châu Hường Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số: 60.58.02.05 Khóa: K31.XGT Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – Trên thế giới hiện nay nói chung hay ở Việt Nam nói riêng, cụ thể là trên

địa bàn tỉnh Trà Vinh thì việc xây dựng mới cơ sở hạ tầng với nguồn kinh phí hạn chế

là rất khó khăn Nên việc tìm hiểu các biện pháp gia cường là rất cần thiết Ngoài việc gia cường sức kháng của cầu bằng các phương pháp dán bản thép, cáp dự ứng lực ngoài, tăng cường mở rộng tiết diện đã được tiếp cận từ các tỉnh bạn thì việc sử dụng tấm sợi composite là còn khá mới mẻ trong công tác kỹ thuật xây dựng tại tỉnh Trà Vinh Song song đó việc kết hợp giữa vật liệu composite với các loại chất dẻo nền có rất nhiều loại, thì ở đây tác giả tập trung nghiên cứu hiệu quả tăng cường sức kháng của cầu bê tông cốt thép thường với đối tượng cụ thể là tấm sợi thủy tinh GFRP với hai loại keo là Sikadur 330 và keo Epoxy TCK 1400 Hiệu quả của việc sử dụng tấm sợi GFRP với hai loại keo trên được tác giả đánh giá từ kết quả tính toán giữa lý thuyết, mô phỏng số bằng phần mềm Abaqus và mô hình thực nghiệm Kết quả này sẽ góp phần bổ sung vào kho dữ liệu về các biện pháp gia cường cầu Đây là tiền đề để

có sự so sánh cũng như lựa chọn các biện pháp gia cường trong tương lai

Từ khóa – Cầu bê tông cốt thép thường, tấm sợi thủy tinh, gia cường sức kháng,

Keywords - normal re-inforced concrete, GFRP sheets, resistence strengthening,

Abaqus, experimental model

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Đối tượng nghiên cứu 2

3 Phạm vi nghiên cứu 2

4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG 4

1.1 Tổng quan về cầu bê tông cốt thép thường 4

1.2 Một số biện pháp gia cường cầu cũ hiện nay 4

1.2.1 Gia cường bản thép 4

1.2.2 Gia cường bằng căng cáp dự ứng lực ngoài 5

1.2.2.1 Phạm vi áp dụng 5

1.2.2.2 Ưu điểm 5

1.2.2.3 Nhược điểm 5

1.2.3 Tăng cường bằng mở rộng tiết diện 6

1.2.3.1 Phạm vi áp dụng 6

1.2.3.2 Ưu điểm 6

1.2.3.3 Nhược điểm 6

1.2.4 Gia cường bằng vật liệu composite 6

1.2.4.1 Phạm vi áp dụng 6

1.2.4.2 Nguyên tắc cấu tạo 6

1.2.4.3 Biện pháp thi công 10

1.2.4.4 Ưu, nhược điểm 11

1.2.4.5 Ứng dụng 12

1.3 Xu hướng áp dụng của biện pháp gia cường 14

1.4 Những vấn đề còn gặp phải của công tác sửa chữa, gia cường cầu 14

1.5 Kết luận 15

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DẦM BTCT GIA CƯỜNG GFRP 16

2.1 Phương pháp tính toán truyền thống 16

2.1.1 Các giả thiết 16

2.1.2 Tính toán dầm đối chứng 16

2.1.3 Tính toán gia cường bằng GFRP 19

2.2 Phương pháp tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn 23

2.2.1 Cơ sở tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn 23

2.2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán bằng phần mềm Abaqus 23

2.3 Bài toán quy đổi 24

2.3.1 Cơ sở quy đổi [7] 24

2.3.2 Bài toán nghiên cứu 24

2.3.2.1 Lựa chọn dầm thí nghiệm 24

2.3.2.2 Tính toán gia cường dầm thực tế 26

2.3.3 Sức kháng uốn, kháng cắt của dầm thực tế chưa gia cường 27

2.3.4 Tính toán gia cường GFRP dầm thực tế: 27

2.4.Tính toán bằng phương pháp truyền thống 30

2.4.1 Sức kháng uốn, kháng cắt dầm đối chứng thực nghiệm 30

2.4.2 Tính toán sức kháng của dầm thí nghiệm gia cường GFRP 30

2.5 Tính toán bằng phần mềm Abaqus 34

2.5.1 Mô hình bằng phần mềm Abaqus 34

2.6 Kết luận: 42

Chương 3: BÀI TOÁN THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG 43

3.1 Cơ sở của bài toán thực nghiệm 43

3.1.1 Quá trình chế tạo dầm thí nghiệm 44

3.1.2 Quá trình gia cường 49

3.1.3 Quá trình thí nghiệm 50

3.2 Kết quả thí nghiệm 51

3.2.1 Kết quả thí nghiệm quá trình nén tạo nứt 51

3.2.2 Kết quả thí nghiệm dầm chưa gia cường 52

3.2.3 Kết quả thí nghiệm dầm gia cường GFRP 53

3.2.4 Kết quả thí nghiệm dầm gia cường GFRP bằng keo sikadur 330 và keo TCK 1400 55

3.3 Đánh giá hiệu quả gia cường sức kháng uốn, kháng cắt 56

3.4 Kết luận 56

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

PHỤ LỤC 60

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BTCT : Bê tông cốt thép

FRP : Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu Polime)

GFRP : Glass Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu Polime sợi thủy tinh)

CFRP : Carbon Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu Polime sợi carbon)

AFRP : Aramid Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu Polime sợi aramid)

ACMA : American Composite Manufactures Association ( Hiệp hội

các Doanh nghiệp sản xuất composite Mỹ)

PPPTHH : Phương pháp phần tử hữu hạn

TTGH CĐ : Trạng thái giới hạn Cường độ

TTGH SD : Trạng thái giới hạn Sử dụng

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

0-1 Tính cấp thiết của việc gia cường cầu cũ 1

1-1 Biểu đồ thể hiện sự phân bố ứng dụng vật liệu composite ở Mỹ

năm 2004 (Nguồn ACMA)

7

1-2 Một số dạng vật liệu GFRP10

1-3 Phát họa của Cầu Grandal (Taljsten and Carolin, 2003) 12 1-4 Cầu Grandal.Bên ngoài (Trái), bên trong (Phải) 13 1-5 Cầu Hói Rui Km867+785 –Huế được gia cố bằng vật liệu FRP 13 1-6 Sửa chữa và gia cường cho dầm cầu Thừa Lưu QL1A-Huế 13 1-7 Sửa chữa và gia cường cầu Ngòi Cát trên QL70 – Lào Cai 14

2-3 Mô hình tính toán gia cường sức kháng uốn 19 2-4 Mô hình tính toán gia cường sức kháng cắt 22

2-8 Quan hệ tải trọng-ứng suất dầm đối chứng 32 2-9 Quan hệ tải trọng-ứng suất dầm gia cường GFRP 33 2-10 Quan hệ tải trọng-độ võng theo kết quả tính toán lý thuyết 33

2-23 Chia lưới hệ thống cốt thép 39

2-27 Quan hệ tải trọng-ứng suất dầm đối chứng 41 2-28 Quan hệ tải trọng-ứng suất dầm gia cường GFRP 41

3-8 Bảo dưỡng dầm bê tông và tạo nứt dầm bê tông 46

3-10 Trộn keo và gia cường bê tông dầm bằng sợi thủy tinh 48 3-11 Nén bê tông dầm gia cường bằng sợi thủy tinh 48

3-17 Quan hệ tải trọng – độ võng quá trình nén tạo nứt dầm 51 3-18 Quan hệ tải trọng - ứng suất quá trình nén tạo nứt dầm 52 3-19 Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm đối chứng 52 3-20 Quan hệ tải trọng - độ võng dầm đối chứng 53 3-21 Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm gia cường GFRP 53 3-22 Quan hệ tải trọng - độ võng dầm gia cường GFRP 54 3-23 Quan hệ tải trọng - độ võng theo kết quả thực nghiệm 54 3-24 Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm gia cường GFRP 55 3-25 Quan hệ tải trọng – độ võng dầm gia cường GFRP 55

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong mục tiêu phát triển của đất nước ta đến năm 2020 trở thành một nước công nghiệp, do đó nhu cầu về xây dựng cơ sở hạ tầng là rất cần thiết nhằm phục vụ cho sự tăng trưởng nhanh chóng và nhu cầu phát triển mạng lưới giao thông vận tải Song song với việc xây dựng mới thì việc duy trì sửa chữa các công trình cũ phải được chú trọng Trước mắt nhà nước đã thay thế một số cầu yếu và làm thêm nhiều cầu mới nhưng cũng phải sửa chữa và tăng cường các cầu yếu hoặc những cầu chưa đáp ứng được tải trọng khai thác trong thời gian lâu dài hoặc trong một thời gian nào đó Bên cạnh đó, công tác duy tu, sửa chữa vẫn còn nhiều bất cập, chưa triệt để dẫn đến chưa đạt được hiệu quả cao Vì vậy, cần có nhiều nghiên cứu, đánh giá đưa ra biện pháp gia cường tối ưu nhằm đảm bảo hiệu quả kinh tế, kỹ thuật

Hình 0-1: Tính cấp thiết của việc gia cường cầu cũ

Tính đến năm 2014, theo báo cáo của Tổng cục ĐBVN, hệ thống quốc lộ nước ta hiện có tổng chiều dài trên 19 nghìn km, trong đó có hơn 4700 cây cầu do Tổng cục Đường bộ quản lý Theo thống kê sơ bộ, toàn quốc có 1672 cây cầu lạc hậu về chức năng khai thác cần phải nâng cấp, cải tạo xây dựng mới, trong đó, có 566 cầu được đánh giá là yếu

Hình 0-2: Hiện trạng cầu ở Việt Nam năm 2014

Nguyên nhân chủ yếu là do đa số các cây cầu được xây dựng từ lâu (trước 1954) mang quy mô nhỏ, cường độ vận tải thấp, chịu ảnh hưởng của chiến tranh… công tác duy tu, bảo dưỡng, vận hành khai thác chưa được chú trọng Bên cạnh đó, nhiều cây cầu BTCT cũ được xây dựng sau này cũng đã xuất hiện các hư hỏng như xuất hiện các vết nứt, bị phá hủy tầng bảo hộ hay hư hại các liên kết ngang

Trước thực trạng đó, việc nghiên cứu hiệu quả các biện pháp gia cường nhằm nâng cao khả năng chịu tải của cầu cũ đặc biệt là cầu bê tông cốt thép thường ở nước

ta hiện nay là rất cần thiết bởi số lượng cầu bê tông cốt thép thường chiếm tỉ lệ khá lớn

và giải quyết được bài toán giữ vững trạng thái kỹ thuật của mạng lưới cầu trên đường

ô tô trong điều kiện nguồn nhân sách hạn hẹp như hiện nay Việc nâng cấp sửa chữa, gia cường cầu cũ thường nhằm các mục đích:

- Tăng cường khả năng chịu uốn

- Tăng cường sức kháng cắt

- Tăng cường độ cứng của cầu, giảm độ võng, …

Bên cạnh đó, việc nghiên cứu vật liệu mới có cường độ cao, trọng lượng nhẹ, thi công đơn giản,… đóng vai trò rất quan trọng Để làm cơ sở gia cường cầu thực tế, tác

giả đã chọn đề tài“ Đánh giá hiệu quả gia cường cầu bê tông cốt thép thường sử dụng

tấm sợi thủy tinh bằng thực nghiệm và phần mềm Abaqus”

2 Đối tượng nghiên cứu

- Công trình cầu bê tông cốt thép thường

- Phần mềm tính toán Abaqus

3 Phạm vi nghiên cứu

- Tính toán gia cường sức kháng uốn, kháng cắt bằng tấm sợi thủy tinh

- Kiểm chứng bằng phần mềm và thực nghiệm khi gia cường sức kháng uốn, kháng cắt bằng tấm sợi thủy tinh

4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Tính toán sức kháng bằng lý thuyết tính toán

- Kiểm chứng hiệu quả gia cường bằng phần mềm Abaqus

- Kiểm chứng hiệu quả gia cường bằng mô hình thực nghiệm

- Đánh giá hiệu quả của biện pháp gia cường bằng tấm sợi thủy tinh

5 Phương pháp nghiên cứu

- Tính toán gia cường cho công trình cầu BTCT thường thực tế, sau đó quy đổi

về mô hình dầm thí nghiệm tương đương thông qua độ cứng Trên mô hình dầm thí nghiệm này, tác giả tiến hành:

+ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết

+ Nghiên cứu mô hình hóa kết cấu theo phương pháp PTHH để phân tích kết cấu dầm BTCT thường bằng phần mềm Abaqus

+ Nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm

+ So sánh, đánh giá hiệu quả gia cường

6 Kết cấu của đề tài

Chương 1: Tổng quan về các biện pháp gia cường

1.1 Tổng quan về cầu bê tông cốt thép thường

1.2 Một số biện pháp gia cường của cầu cũ hiện nay

1.3 Xu hướng áp dụng của biện pháp gia cường

1.4 Những vấn đề còn gặp phải của công tác sửa chữa, gia cường cầu 1.5 Kết luận

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán dầm BTCT gia cường GFRP

2.1 Phương pháp tính toán truyền thống

2.2 Phương pháp tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn

2.3 Bài toán quy đổi

2.4 Tính toán bằng phương pháp truyền thống

2.5 Tính toán bằng phần mềm Abaqus

2.6 Kết luận

Chương 3: Bài toán thực nghiệm và đánh giá hiệu quả gia cường

3.1 Cơ sở của bài toán thực nghiệm

3.2 Kết quả thí nghiệm

3.3 Đánh giá hiệu quả gia cường sức kháng uốn, sức kháng cắt

3.4 Kết luận

Kết luận và kiến nghị

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG

1.1 Tổng quan về cầu bê tông cốt thép thường

Cầu BTCT xuất hiện đầu tiên vào những năm 70 của thế kỷ XIX, sau khi xi măng được phát minh vào khoảng năm 1825, việc đặt thép vào bê tông xuất hiện lẻ tẻ vào những năm 1835-1850 Từ năm 1855 trở đi BTCT mới chính thức ra đời tại Pháp Năm 1975 Joseph Monier đã xây dựng cầu BTCT đầu tiên dài 15,24m, rộng 3,96m

Giai đoạn cuối thế kỷ XIX cầu BTCT chủ yếu là cầu nhịp nhỏ - cầu bản, dầm, vòm Năm 1896, người ta đã xây dựng cầu vòm nhịp 45m tại nước Nga

Giai đoạn đầu thế kỷ XX, cầu BTCT phát triển mạnh mẽ ngoài dạng đơn giản, người ta đã bắt đầu làm cầu liên tục, cầu khung, dầm công xôn nhịp 30 - 40m [1] Quá trình phát triển cầu BTCT ở Việt Nam có thể chia thành các giai đoạn ứng với các giai đoạn của lịch sử đấu tranh giành độc lập, giữ nước và xây dựng đất nước:

Thời kỳ trước cách mạng tháng 8:

Vào thời kỳ này, đã có nhiều cầu thuộc hệ thống nhịp bản, dầm giản đơn, dầm hẫng, vòm BTCT thường với nhịp 2m đến 20m được xây dựng trên các tuyến đường sắt và đường bộ Ví dụ chỉ trên tuyến đường sắt Hà Nội - Hồ Chí Minh có khoảng hơn

600 cầu BTCT nhịp 8m đến 11m xây dựng từ năm 1927-1932, đến nay vẫn còn tận dụng được sau khi gia cố sửa chữa nhiều đợt

Thời kỳ sau Cách mạng tháng 8-1945 đến năm 1954:

Đây là thời kỳ kháng chiến chống Pháp nên hầu như rất ít cầu BTCT được xây dựng mới

1.2 Một số biện pháp gia cường cầu cũ hiện nay

1.2.1 Gia cường bản thép

1.2.1.1 Phạm vi áp dụng

Dùng để sửa chữa sự giảm khả năng chịu lực hoặc hư hỏng của các phần tử kết cấu Sử dụng trong những trường hợp tăng cường cường độ sau:

- Tăng cường khả năng chịu uốn của dầm BTCT hoặc bản bê tông cốt thép tại vùng có mô men dương hoặc mô men âm

- Tăng cường khả năng chịu chống cắt của dầm bê tông cốt thép

1.2.1.2 Ưu điểm

- Giá thành rẻ, dễ thực hiện

- Thời gian ngừng lưu thông phương tiện giao thông không lâu

- Tiết kiệm được chi phí đầu tư công trình mới

1.2.1.3 Nhược điểm

- Bản thép chỉ tham gia chịu hoạt tải nên tăng được khả năng chịu lực không nhiều

- Rất khó có giải pháp để bản thép dán thêm tham gia chịu tĩnh tải

- Chỉ áp dụng cho cầu BTCT thường

1.2.2 Gia cường bằng căng cáp dự ứng lực ngoài

1.2.2.1 Phạm vi áp dụng

- Dùng để chủ động khép kín các vết nứt và nâng cấp các dầm cầu BTCT, BTCT DƯL ( Cầu Vĩnh Điện, cầu Chữ Y)

- Thay thế các bó cáp cũ đặt trong bê tông bằng các bó cáp DƯL căng ngoài (Cầu Niệm)

- Liên tục hóa các dầm giản đơn thành các nhịp liên tục 3 nhịp, 4 nhịp, 5 nhịp (Cầu Sài Gòn)

- Các nhịp dầm BTCT thực hiện không có bản ngăn, có thể dùng DƯL căng ngoài căng theo chiều dọc để triệt tiêu các vết nứt và dùng cáp ngang để thực hiện các bản ngăn bổ sung

1.2.2.2 Ưu điểm

- Chi phí rẻ so với việc phải xây dựng lại các bộ phận chính, các thiết bị dể sử dụng và gọn nhẹ

- Sức kháng cắt và sức kháng uốn đều tăng mà không làm tăng tĩnh tải kết cấu

- Kết cấu hở nên dể kiểm tra bảo dưỡng, làm tăng độ tin cậy

- Các tao cáp có thể căng kéo hay thay đổi khi cần thiết

- Không ảnh hưởng lớn đến sự khai thác bình thường của cầu

1.2.2.3 Nhược điểm

- Việc thi công các ụ neo và ụ chuyển hướng có thể khó khăn, có thể ảnh hưởng đến cáp DƯL bê trong khi tiến hành khoan thi công ụ neo

- Cáp DƯL không có tính bền với môi trường Chịu va đập, chịu lửa kém

- Khó khăn trong việc xác định sức kháng cắt của dầm

- Phạm vi thi công thường chật hẹp

- Tính thẩm mỹ của công trình không cao

- Thi công đòi hỏi phải có sự cẩn thận chi tiết

1.2.3 Tăng cường bằng mở rộng tiết diện

- Sự co ngót khác nhau giữa bê tông cũ và lớp bê tông mới

- Phát sinh thêm tĩnh tải gây bất lợi cho công trình

- Làm tăng kích thước tiết diện cấu kiện

- Thay đổi kiến trúc tổng thể của kết cấu sau khi gia cường

1.2.4 Gia cường bằng vật liệu composite

1.2.4.1 Phạm vi áp dụng

Dùng để sửa chữa sự giảm khả năng chịu lực hoặc hư hỏng của các phần tử kết cấu bằng cách dán hoặc bọc bên ngoại cấu kiện Sử dụng trong những trường hợp tăng cường cường độ sau:

- Tăng khả năng chịu cắt và chịu uốn của dầm BTCT để sửa chữa, gia cố và tăng cường khả năng chịu tải trọng động

- Tăng cường khả năng chịu uốn của sàn BTCT tại vùng có mô men dương và

mô men âm

- Tăng khả năng chịu uốn và bó cột BTCT để tăng cường khả năng chịu lực và chịu tải động

1.2.4.2 Nguyên tắc cấu tạo

Mục đích của công tác thi công sửa chữa gia cố kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm FRP là đặt tấm FRP vào vị trí cần tăng cường khả năng chịu lực với hướng sợi phù hợp với phương chịu lực để tận dụng được khả năng chịu kéo và độ bền của sợi FRP, đồng thời phải đảm bảo cho tấm FRP không bị tách lớp cũng như tách khỏi bề mặt bê tông

a Sơ lược về vật liệu FRP và lịch sử phát triển

- Vật liệu FRP - Fiber Reinforced Polymer là một dạng vật liệu Composite được chế tạo từ các vật liệu sợi, trong đó có ba loại vật liệu sợi thường được sử dụng là sợi carbon CFRP, sợi thuỷ tinh GFRP và sợi aramid AFRP Đặc tính của các loại sợi này

là có cường độ chịu kéo rất cao, môđun đàn hồi rất lớn, trọng lượng nhỏ, khả năng

chống mài mòn cao, cách điện, chịu nhiệt tốt, bền theo thời gian

- Các dạng FRP dùng trong xây dựng thường có các dạng như: FRP dạng tấm;

FRP dạng thanh, FRP dạng cáp, FRP dạng vải, dạng cuộn Trong sửa chữa và gia cố

công trình xây dựng thường dùng các loại FRP dạng tấm và dạng vải

- Trong xây dựng, các loại vật liệu FRP thường được sử dụng nhất là của các

hãng sản xuất: MBraceTB, Replark®, Sika, Tyfo®

Kết cầu BTCT là loại vật liệu có sự tiến hóa theo thời gian và rất nhạy cảm với

các điều kiện môi trường Cả bê tông lẫn thép, hai loại vật liệu cấu thành nên kết cấu

BTCT, dưới tác động xâm thực mạnh của môi trường đều dễ bị suy thoái theo thời

gian Cách đây vài thế kỷ người ta đã có ý tưởng sử dụng vật liệu composite trong xây

dựng Ở các nước châu Âu và Bắc Mỹ như Canada, Mỹ đã nghiên cứu ra loại vật liệu

mới nhằm tăng cường khả năng chịu lực cho công trình Sản phẩm composite đầu tiên

được biết đến là FRP có cốt sợi thủy tinh và chất nền là polyester dùng dùng để sản

xuất vỏ thuyền vào năm 1930 Từ đó vật liệu FRP đã có một cuộc cách mạng toàn

diện trên tất cả các ngành như không gian vũ trụ, ngành điện, giao thông Năm 1940

Hải quân và không quân Hoa Kỳ đã sử dụng vật liệu FRP vào trong công nghiệp quốc

phòng Do có cường độ cao và trọng lượng nhẹ nên những năm 60 của thế kỷ trước,

các ngành hàng không và ngành sản xuât ô tô cũng đã sử dụng loại vật liệu này

Hình 1-1: Biểu đồ thể hiện sự phân bố ứng dụng vật liệu composite

ở Mỹ năm 2004 (Nguồn ACMA)

Từ biểu đồ (Hình 1.1) cho chúng ta thấy ứng dụng vật liệu composite vào ngành xây dựng chiếm tỷ lệ lớn là 20% Ý tưởng về ứng dụng composite trong xây dựng xuất hiện bắt đầu từ năm 1950 Từ thời điểm này hướng phát triển chính của vật liệu FRP trong xây dựng là ứng dụng FRP để tăng cường và sửa chữa kết cấu bê tông cốt thép Trong suốt những năm 1970 đến những năm 1980 nhiều ứng dụng của vật liệu FRP đã phổ biến ở Châu Âu, Mỹ Năm 1986, cầu Kattenbausch ở Đức được sửa chữa bằng vật liệu FRP

b Cấu tạo của vật liệu Composite

Cốt sợi

Trong vật liệu FRP chức năng chính của cốt sợi là chịu tải trọng, cường độ, độ cứng, ổn định nhiệt Vì vậy, cốt sợi được sử dụng để sản xuất vật liệu FRP phải đảm bảo các yêu cầu sau đây:

- Mô đun đàn hồi cao

- Cường độ tới hạn cao

- Sự khác biệt về cường độ giữa các sợi với nhau là không lớn

- Cường độ ổn định cao trong vận chuyển

- Đường kính và kích thước các sợi phải đồng nhất

Vật liệu FRP được sản xuất từ các vật liệu sợi trong đó có ba loại vật liệu thường

sử dụng là sợi cacbon, sợi thủy tinh và sợi aramid

Bảng 1-1: So sánh đặc trưng ba loại sợi theo Meier 1994

Tiêu chuẩn Loại sợi

Cacbon Aramid Thủy tinh

Cường độ chịu kéo

Mô đun đàn hồi

Rất tốt Tốt Tốt Tốt Đặc biệt tốt Tốt Trung bình

Rất tốt Trung bình Trung bình Trung bình Trung bình Không tốt Rất rẻ

Chất dẻo nền

Trong vật liệu FRP chất dẻo nền có vai trò là chất kết dính Các chức năng chủ yếu của chất dẻo nền:

- Truyền lực giữa các sợi riêng rẽ;

- Bảo vệ bề mặt của các sợi khỏi bị mài mòn;

- Bảo vệ các sợi, ngăn chặn mài mòn và các ảnh hương do môi trường;

- Kết dính các sợi với nhau;

- Phân bố, giữ vị trí các sợi vật liệu FRP;

- Thích hợp về hóa học và nhiệt với cốt sợi

Trong vật liệu FRP thì chất dẻo nền có chức năng truyền lực giữa các sợi, các cốt sợi chịu tải trọng, cường độ, độ cứng, ổn định nhiệt Chất dẻo nền dùng để sản xuất vật liệu FRP thường sử dụng là epoxy, vinyl ester, polyester

- Polyester: Chất dẻo nền polyester có tính kinh tế nhất và được sử dụng rộng rãi Trong những năm gần đây, gần nữa triệu tấn polyester được sử dụng mỗi năm ở Mỹ

để sản xuất vật liệu composite Ưu điểm của polyester là tính nhớt thấp, giá thành thấp, và ít độc Nhược điểm của polyester là độ co ngót lớn

- Viny lester: Có tính dẻo và độ bền cao hơn polyester Ưu điểm của Viny lester

là có sức kháng ăn mòn tốt và cũng có tính chất hóa học và vật lý tốt như cường độ chịu kéo và chịu mỏi cao Viny lester có giá thành cao

- Epoxy: Được sử dụng rộng rãi hơn polyester và viny lester Những ưu điểm chính của epoxy bao gồm:

+ Không bay hơi và độ co ngót thấp trong suốt quá trình lưu hóa;

+ Sức kháng rất tốt với sự thay đổi hóa học;

+ Dính bám với cốt sợi rất tốt

c Các đặc trưng cơ bản của vật liệu GFRP

Vật liệu GFRP có cường độ và độ cứng phụ thuộc vào vật liệu hợp thành, đặc trưng vật liệu của GFRP phụ thuộc vào đường kính sợi, hướng phân bố các sợi và các đặc trưng cơ học của chất dẻo nền

Hiện nay sợi thủy tinh với cấu trúc nền là epoxy được sử dụng rộng rãi Sợi thủy tinh cũng có nhược điểm riêng của từng loại Trong khi đó sợi thủy tinh có mô đun đàn hồi cao nên được sử dụng phổ biến trong các kết cấu xây dựng

Đặc trưng cơ học của FRP phụ thuộc vào những yếu tố dưới đây:

- Đặc trưng cơ học của sợi ( sử dụng sợi cacbon, sợi aramid hay sợi thủy tinh);

- Đặc trưng cơ học của chất nền (sử dụng Epoxy, Vinylester hay Polyester);

- Tỷ lệ giữa sợi và chất nền trong cấu trúc FRP;

- Hướng phân bố của các sợi trong chất nền

Bảng 1-2: So sánh các đặc trưng cơ học của sợi thủy tinh khác nhau với thép

70-230 (483-1600)

Mô đun đàn hồi

x10 3 ksi (MPa)

29 (200)

5,1-7,4 (35-51)

a Dạng tấm b Dạng Lưới

c Dạng thanh d Dạng chế tạo sẵn

Hình 1-2: Một số dạng vật liệu GFRP

1.2.4.3 Biện pháp thi công

Thi công dán theo phương pháp khô (dry lay-up)

Quá trình thi công dán tấm FRP bằng phương pháp khô có thể chia làm sáu bước:

Bước 1: Chuẩn bị bề mặt bê tông

Trước khi gia cố lắp đặt tấm FRP thì bề mặt bê tông phải được xử lý kỹ Sự nguyên vẹn của hệ thống phụ thuộc vào chất lượng và khả năng chịu lực của bê tông

đủ để cho liên kết dán của tấm FRP và bê tông được đảm bảo Các vết nứt, các mảnh vụn sứt mẻ và cốt thép bị gỉ cần phải được chú ý trước khi thi công lắp đặt tấm FRP Các sứt mẻ và các loại hư hỏng khác cần phải được loại bỏ và được vá lại với các loại vữa sửa chữa phù hợp Tất cả các vết nứt có bề rộng lớn hơn 0,025mm cần phải được bơm êpoxy để sửa chữa

Bước 2: Sơn lót kết cấu cần gia cố

Sơn lót bề mặt bê tông cần gia cố bằng cách dùng cọ lăn ngắn hoặc trung bình

Bước 3: Phủ bột trét làm phẳng bề mặt

Bột trét được trét bằng các bay cầm tay Bột trét được sử dụng để làm phẳng bề mặt và lấp các khuyết tật; việc bao phủ hoàn toàn thì không cần thiết Bột trét có thể trét lên bề mặt sơn lót còn ướt không cần đợi sơn khô

Bước 4: Phủ lớp keo thứ nhất

Keo được quét lên bề mặt đã được sơn lót và làm phẳng bằng cọ lăn Thông thường nên lăn lớp keo dày khoảng 15mil đến 20mil tuỳ thuộc vào loại keo Lượng keo sử dụng cũng phụ thuộc vào từng loại FRP được sử dụng

Bước 5: Dán tấm FRP

Tấm FRP cần được đo và cắt trước khi đặt lên bề mặt cần gia cố Tấm FRP được đặt lên bề mặt bê tông và được ấn nhẹ nhàng vào lớp keo dán Trước khi lột lớp giấy dán mặt sau, dùng con lăn bằng cao su lăn theo hướng sợi cho keo dễ dàng ngấm vào các sợi riêng lẻ Cọ lăn không bao giờ được lăn theo hướng vuông góc với hướng sợi

để tránh sợi có thể bị hỏng

Bước 6: Phủ lớp keo thứ hai

Lớp keo thứ hai có thể được phủ lên sau 30 phút kể từ khi đựt và lăn tấm FRP Đến lúc này lớp keo đầu tiên đã rút hết vào tấm FRP Lớp keo thứ hai được quét lên tấm FRP bằng cọ lăn cỡ trung với chiều dày khoảng 15mil đến 20mil

 Thi công dán tấm FRP theo kiểu ướt (wet lay-up)

Phương pháp dán tấm FRP theo kiểu ướt về trình tự rất giống với phướng pháp khô Tuy nhiên phương pháp ướt khác biệt trong bước thoa keo nhúng tấm nhựa FRP Khi dán tấm FRP bằng phương pháp ướt ta chỉ sử dụng tấm vải FRP dạng khô chưa tẩm nhựa Tấm FRP khô sẽ được tẩm đẫm nhựa đến khi bão hoà và được dán lên

bề mặt bê tông đã được xử lý kỹ

Ưu điểm của phương pháp dán ướt là có thể sử dụng cho cấu kiện có kích thước lớn (cột đường kính lớn, mặt đáy sàn, dán bọc ba mặt dầm), liên kết giữa các tấm FRP được đảm bảo hơn sẽ ít có trường hợp bị phá hoại liên kết Tuy nhiên, khi dùng phương pháp dán ướt sẽ sử dụng một lượng keo dán rất lớn nên thời gian đợi kéo dài hơn Quá trình thoa keo tẩm nhựa cho tấm FRP có thể sử dụng máy tẩm nhựa đối với tấm vải FRP có bề rộng lớn hoặc có thể dùng phương pháp thủ công bằng tay đối với tấm FRP có bề rộng nhỏ Các bước tiến hành tương tự như phương pháp thi công dán khô

1.2.4.4 Ưu, nhược điểm

a Ưu điểm

 Về vật liệu

- Cường độ chịu kéo, mô đun đàn hồi rất cao và trọng lượng nhỏ

- Khả năng chống mài mòn cao, có sức đề kháng tốt với các chất xâm thực

- Thi công tiện lợi nhanh chóng, đơn giản

- Không cần nhiều thiết bị máy móc và ít tốn nhân công

- Giữ nguyên hình dạng kết cấu cũ không cần phải đập phá kết cấu

- Thi công không cần sử dụng coffa;

- Công trình sau khi được sửa chữa và tăng cường có tính mỹ quan cao

b Nhược điểm

- Giá thành tương đối cao

- Vấn đề phá hoại của liên kết keo dán và bị phá hoại bởi tia UV

- Tuy nhiên có thể khắc phục được:

+ Giá: Giảm do sự cải tiến trong công nghệ sản xuất và nhu cầu sử dụng ngày càng tăng;

+ Xử lý bề mặt bê tông, tính toán thiết kế và bố trí các dạng neo chống lại hiện tượng tách lớp khi dán;

+ Sơn lên bể mặt vật liệu GFRP một lớp sơn đặc biệt chống lại sự phá hoại của tia UV

1.2.4.5 Ứng dụng

a Thế giới

Công nghệ vật liệu FRP để tăng cường khả năng chịu lực của các công trình đã được áp dụng ở nhiều nơi trên thế giới đặc biệt ở khu vực Bắc Mỹ, tại Nhật Bản và tại một số nước Châu Âu

Để gia cố hai cây cầu Grӧndal và Alvik (cầu bê tông dự ứng lực, mặt cắt hộp) ở Thụy Điển, tổng cộng 6000m tấm vật liệu composite sợi carbon đã được sử dụng, trong đó 2000m được dùng cho cầu Grandal và 4000m được dùng cho cầu Alkin Tiến hành thử nghiệm trên 7 mẫu dầm bê tông cốt thép, hai tác giả Dat Duthinh và Monica Starnes đã đưa ra kết luận việc sử dụng tấm vật liệu CFRP để tăng cường khả năng chịu uốn cho dầm bê tông cốt thép là rất có hiệu quả

Hình 1-3: Phát họa của Cầu Grandal (Taljsten and Carolin, 2003)

Hình 1-4: Cầu Grandal.Bên ngoài (Trái), bên trong (Phải)

b Việt Nam

Đối với Việt Nam tại khu vực miền Trung chúng ta đã tiến hành thi công gia

cường cầu Ô Sông ở Quảng Ngãi, kết quả công trình sau khi gia cường đã tăng cường

khả năng chịu lực từ 20-40% Hiện nay chúng ta cũng đang áp dụng biện pháp gia

cường bằng các tấm vật liệu composite sợi carbon vào cầu Lắm tỉnh Khánh Hòa, cầu

Thừa Lưu ở Huế, cầu Gián Khẩu ở Ninh Bình và hàng loạt các dự án chuẩn bị áp dụng

công nghệ dám tấm vật liệu composite nhằm khôi phục khả năng làm việc hoặc tăng

cường khả năng chịu lực các công trình kể cả cũ lẫn mới

Một số công trình đã áp dụng biện pháp gia cường bằng vật liệu FRP ở Việt Nam:

Hình 1-5: Cầu Hói Rui Km867+785 –Huế được gia cố bằng vật liệu FRP

Hình 1-6: Sửa chữa và gia cường cho dầm cầu Thừa Lưu QL1A-Huế

Hình 1-7: Sửa chữa và gia cường cầu Ngòi Cát trên QL70 – Lào Cai

1.3 Xu hướng áp dụng của biện pháp gia cường

Hiện nay biện pháp gia cường bằng tấm sợi GFRP đã được sử dụng khá phổ biến ở

những nước phát triển do một số đặc tính ưu việt so với vật liệu truyền thống Tấm sợi

GFRP được đánh giá là một trong những loại vật liệu có tính năng mang lại hiệu quả

kinh tế cao trong ngành công nghiệp xây dựng và gia cường các kết cấu công trình

giao thông Song nhìn chung trên hệ thống giao thông đường bộ ở nước ta, các công

trình cầu đã đang và sắp sửa chữa, gia cường thì xu hướng áp dụng các biện pháp gia

cường bằng tấm sợi GFRP là rất cần thiết Phương pháp này có rất nhiều ưu điểm như

thi công đơn giản, nhanh chóng, không cần phải đập phá kết cấu, không cần sử dụng

cốp pha, đảm bảo giữ nguyên hình dạng kết cấu cũ, có tính thẩm mỹ cao

1.4 Những vấn đề còn gặp phải của công tác sửa chữa, gia cường cầu

Công tác quản lý, duy tu, sữa chữa công trình một số vấn đề mà ngành GTVT của

các tỉnh, các Thành phố đảm nhiệm Tình trạng của các công trình cầu cũ đặc biệt là

các công trình cầu BTCT thường ngày càng xuống cấp, gây trở ngại lớn cho vận tải

Đòi hỏi công tác duy tu, sửa chữa và gia cường cầu là hết sức cấp thiết Song công tác

này cho đến nay vẫn còn rất nhiều khó khăn, bất cập là do:

- Tổ chức cơ cấu quản lý các công trình cầu đã bị xuống cấp, đặc biệt là các công

trình cầu yếu, hư hỏng chưa có tính thống nhất rõ ràng, Nhiều địa phương quản lý lỏng

lẻo chòng chéo lên nhau, kiểm tra không thường xuyên, không đánh giá đúng mức độ

hư hỏng các công trình cầu theo đúng thực trạng, phương pháp kiểm tra và kỹ thuật

chuẩn đoán còn lạc hậu

- Nguồn ngân sách hàng năm đầu tư cho công tác duy tu, sửa chữa còn hạn chế

- Cải tiến biện pháp thi công gia cường, sửa chữa còn nhiều hạn chế, bằng phương

pháp thủ công là chủ yếu

- Lựa chọn các giải pháp gia cường, sửa chữa chưa thực sự mang lại tính kinh tế và

hiệu quả cao

Từ những lý do trên, nhận thấy những vấn đề mà ngành GTVT cần quan tâm là:

- Tăng cường nguồn năng lực có trình độ chuyên môn về cơ chế quản lý và

phương pháp làm việc trong công tác quản lý công trình, đặc biệt là các công trình cầu đang xuống cấp hư hỏng

- Nâng cao trình độ, kỹ thuật và áp dụng những công nghệ tiên tiến trong công tác sửa chữa, gia cường

- Khuyến khích nhiều nghiên cứu về các biện pháp gia cường, sửa chữa để đề xuất các giải pháp một cách hợp lý có hiệu quả

1.5 Kết luận

Tóm lại, với quá trình hình thành và phát triển của việc sử dụng kết cấu bê tông cốt thép trong xây dựng công trình trên thế giới cũng như trong nước Ngoài việc xây dựng công trình mới thì việc gia cường, nâng cấp các công trình đã xuống cấp là rất đáng quan tâm Trong các biện pháp gia cường hiện nay thì vật liệu GFRP có những

ưu điểm nổi trội như cường độ cao, độ bền cao, thi công đơn giản sẽ rất có tiềm năng phát triển Vì vậy trong chương 2, tác giả sẽ tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán kết hợp với phần mềm mô phỏng nhằm đưa ra kết quả chính xác để áp dụng vào công trình cầu thực tế hiện nay

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DẦM BTCT

- Không tính đến khả năng chịu kéo của bê tông

- Tấm GFRP dính bám tuyệt đối với bề mặt dầm BTCT

Hình 2-1: Mặt cắt ngang dầm chưa gia cường

- Mô đun đàn hồi của thép: E s 200000 (MPa)

- Mô đun đàn hồi của bê tông: E c 0,0431,5c f c' (MPa)

trong đó: c : Tỷ trọng của bê tông (kg/cm3)

'

c

f : Cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày của bê tông (Mpa)

- Hệ số quy đổi thép sang bê tông: S

C

E n E

- Vị trí trục trung hòa: td

d td

S y A

Hình 2-2: Tính toán sức kháng uốn dầm đối chứng

Xác định vị trí của trục trung hòa c:

7

c

f

    đối với 28MPa f c' 56MPa

Nếu c < hf thì tính theo tiết diện hình chữ nhật:

' ' ' 1

0,85

s y s y

c f

A f A f c

As :Diện tích cốt thép chịu kéo (mm²)

fy :Giới hạn chảy quy định của cốt thép (MPa)

ds :Khoảng cách từ thớ nén ngoài cùng đến trọng tâm cốt thép chịu kéo (mm)

f :Cường độ chịu nén quy định của bê tông ở tuổi 28 ngày (MPa)

b :Bề rộng của mặt cắt chịu nén của cấu kiện (mm)

bw :Chiều dày của bản bụng (mm)

hf :Chiều dày bản cánh chịu nén của cấu kiện (mm)

 : Góc nghiêng của cốt thép ngang đối với trục dọc (độ)

Av : Diện tích cốt thép chịu cắt trong cự ly s (mm2)

2.1.3 Tính toán gia cường bằng GFRP

2.1.3.1 Tính toán gia cường sức kháng uốn [5]

Diện tích tấm GFRP cần thiết để gia cố:

M

M u n

9,0





Tính toán số lớp GFRP: nf =

f f

f

t w

, dầm phá hoại theo mô hình bê tông bị vỡ

, dầm phá hoại theo mô hình tấm GFRP bị đứt

Ta giả định giá trị c= 0,15d để tính toán xác định mô hình phá hoại của dầm Giá trị chính xác sẽ được xác định ở các bước tính sau:

Bước 3.1: Trường hợp thứ nhất: Khi dầm GFRP bị phá hoại theo mô hình bê tông

bị vỡ

Khi kết cấu bê tông bị phá hoại theo mô hình bê tông bị vỡ, biến dạng của bê tông

ở trạng thái phá hoại sẽ đạt giá trị biến dạng lớn nhất cho phép εc = εcu Mà theo ACI

318 -85 (1999) thì giá trị εcu được lấy là 0,003 Dựa vào biểu đồ biến dạng ta có thể xác định lần lượt các giá trị:

Biến dạng của cốt thép chịu kéo: εs = εcu 

Biến dạng của tấm GFRP được tính như sau: εs = εcu 

- εbi

Bởi vì khi này bê tông ở trạng thái biến dạng lớn nhất cho phép nên phần hình chữ nhật ứng suất chịu nén của bê tông có thể lấy theo ACI 318-85 (1999) tại mục 10.2.7.3

Khi này giá trị γ = 0,85 và β1 0,85 – 0,05

f A f A f A

c

f f s s s s

1 '

' '

85,

Bước 3.2: Trường hợp thứ hai: Khi dầm GFRP bị phá hoại theo mô hình tấm GFRP bị đứt

Quá trình tính toán trong trường hợp dầm phá hoại theo mô hình tấm GFRP bị đứt tương tự như trường hợp trên Khi này biến dạng của GFRP sẽ đạt giá trị biến dạng lớn nhất cho phép Giá trị này được xác định theo loại vật liệu GFRP và do nhà sản xuất cung cấp Dựa vào εf = εfu ta có:

Biến dạng của tấm GFRP: εf = εfu = εb – εbi

Biến dạng của bê tông:εc = (εfu+εbi) 

Biến dạng của cốt thép chịu kéo: εs = (εfu+εbi) 

c d

Biến dạng của cốt thép chịu nén: εs = (εfu+εbi) 

d c

Ứng suất của cốt thép chịu nén và chịu kéo được xác định theo công thức trên Đối với bê tông khi này biến dạng chưa đạt đến giá trị cho phép lớn nhất nên phần ứng suất chịu nén của bê tông lấy theo Whitney (dùng trong ACI 318-85(1999) là không thích hợp Khi này để xác định tổng lực nén của phần bê tông sẽ được xác định dựa theo công thức của Todeschini (1964).Khi này ta có:

))/(1()/(

)/(tan)/(4

2 ' '

' 1 '

c c c

c

c c c

))/(1(90,0

' 1

2 '

c c

c c

E

f'



 và giá trị tan-1 (c/c') tính bằng radian

Dùng phương pháp cân bằng lực ta xác định chiều cao giả định c như sau:

c =

b f

f A f A f A

c

f f s s s s

1 '

' '

Bước 4: Xác định khả năng chịu lực của dàm bê tông cốt thép gia cố bằng GFRP

Khả năng chịu lực của dầm bê tông cốt thép gia cố bằng FRP được tính toán theo công thức sau:

1 ' '

d

c f

A f f Khả năng chịu lực của dầm là фMn phải lớn hơn mômen uốn tính toán Mu (có hệ số)

Giá trị ф khi này được xác định như sau:

Khi

sy s sy sy

s

sy s

2 20

, 0 50 , 0

2 90

, 0

2.1.3.2 Tính toán gia cường sức kháng cắt [6]

- Độ cứng của tấm sợi

- Chiều dày tấm sợi

- Hướng của tấm sợi

f fe f f

0,66

V V  f b d

2.2 Phương pháp tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn

2.2.1 Cơ sở tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) là phương pháp số để giải các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân riêng phần cùng với các điều kiện biên cụ thể Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp của bài toán Các miền liên tục được chia thành nhiều miền con (phần tử) Các miền này được liên kết với nhau tại các điểm nút Trên miền con này, dạng biến phân tương đương với bài toán được giải xấp xỉ dựa trên các hàm xấp xỉ trên từng phần tử, thoả mãn điều kiện trên biên cùng với sự cân bằng và liên tục giữa các phần tử Về mặt toán học, phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) được sử dụng để giải gần đúng bài toán phương trình vi phân từng phần (PTVPTP) và phương trình tích phân Lời giải gần đúng được đưa ra dựa trên việc loại bỏ phương trình vi phân một cách hoàn toàn (những vấn đề về trạng thái ổn định), hoặc chuyển PTVPTP sang một phương trình vi phân thường tương đương mà sau đó được giải bằng cách sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn,

Trên thế giới có nhiều phần mềm PTHH nổi tiếng như: NASTRAN, ANSYS, TITUS, MODULEF, SAP2000,CASTEM 2000, SAMCEF,ABAQUS,

Mô hình tính toán sử dụng phương pháp chuyển vị:

.

F  K U trong đó: F: Ngoại lực tác dụng ; K: Độ cứng; U: Chuyển vị

2.2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán bằng phần mềm Abaqus

Hiện nay ABAQUS là một bộ phần mềm lớn dùng để mô phỏng công trình, kết cấu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, phạm vi giải quyết vấn đề của nó từ phân tích tuyến tính tương đối đơn giản đến vấn dề môn phỏng phi tuyến phúc tạp ABAQUS có kho phần tử phong phú, có thể mô phỏng hình dạng bất kỳ Đồng thời kho mô hình vật liệu có thể mô phỏng đại đa số tính năng vật liệu kết cấu điển hình, trong đó bao gồm kim loại, cao su, vật liệu cao phân tử, vật liệu phúc hợp, bê tông cốt thép, ABAQUS không chỉ giải quyết vấn đề trong phân tích kết cấu (ứng suất , chuyển vị), vẫn có khả năng mô phỏng và nghiên cứu vấn đề trong lĩnh vực khác như truyền đẫn nhiệt, phân tích âm thanh,điện tử, phân tích cơ học môi trường điện áp

Hình 2-5: Giao diện phần mềm Abaqus 6.13

ABAQUS có hai khối phân tích chủ yếu: ABAQUS/Standard và

ABAQUS/Explicit Ngoài ra vẫn còn hai khối phân tích phụ có công dụng đặc biệt: ABAQUS/Aqua và ABAQUS/Design ABAQUS/CAE (Complete ABAQUS

Evironment) là khối giao tiếp với người dùng, làm công tác tiền xử lý như thiết lập mô hình, gán đặc tính và điều kiện biên, phân chia mạng lưới, ABAQUS/Viewer dùng

để tiến hành phân tích và xử lý kết quả

Tác giả sử dụng phần mềm Abaqus để mô phỏng bài toán theo phương pháp chuyển vị bởi những thế mạnh so với các phần mềm khác ở những điểm sau:

- Mô phỏng sự làm việc đồng thời giữa bê tông và cốt thép, giữa bê tông và vật liệu gia cường

- Khai báo được thuộc tính vật liệu Composite

- Thích hợp cho việc nghiên cứu

2.3 Bài toán quy đổi

2.3.1 Cơ sở quy đổi [7]

Nhằm quy đổi tương đồng vật liệu gia cường từ dầm thực tế về dầm thí nghiệm để đánh giá chính xác hiệu quả gia cường trên dầm thí nghiệm

Công thức tính độ cứng : E I 3

K L

trong đó :

E : Mô đun đàn hồi của vật liệu làm dầm;

K : Độ cứng của dầm;

L : Chiều dài dầm;

I : Mô men quán tính của dầm

Xem vật liệu của dầm thí nghiệm và dầm thực tế giống nhau nên ta quy đổi tương đồng theo công thức:

I1, I2 :Mô men quán tính của dầm thực tế, dầm thí nghiệm

L1, L2 :Chiều dài của dầm thực tế, dầm thí nghiệm

2.3.2 Bài toán nghiên cứu

Mặt cắt ngang

Số dầm chủ

Khổ cầu

Số làn

xe

Vật liệu

BT f’c

CT

fy

13 m 0,5HL93 Hình 2-6 8 7+2x1 2 30 Mpa 420 Mpa Các đặc trưng hình học và các tham số liên quan của dầm thực tế giả định:

- Mô đun đàn hồi của thép: E s 200000 (MPa)

- Mô đun đàn hồi của bê tông: E c 27 691 (MPa)

- Hệ số quy đổi thép sang bê tông: n7.22

- Diện tích tiết diện tương đương:  2

Bảng 2-2: Thông số kĩ thuật của dầm thí nghiệm

Chiều dài dầm

Mặt cắt ngang

Vật liệu

Bê tông Cốt thép 2,8 m Hình 2-7 f’c = 30 Mpa fy = 420 Mpa Các đặc trưng hình học và các tham số liên quan của dầm thực tế:

- Mô đun đàn hồi của thép: E s 200000 (MPa)

- Mô đun đàn hồi của bê tông: E c 27 691 (MPa)

- Hệ số quy đổi thép sang bê tông: n7.22

- Diện tích tiết diện tương đương:  2

2.3.2.2 Tính toán gia cường dầm thực tế

Tiêu chí đặt ra là nâng cấp công trình cầu thực tế có số liệu như ở bảng 2-3 từ tải trọng khai thác 0,5HL93 lên tải trọng 0,65HL93

2.3.3 Sức kháng uốn, kháng cắt của dầm thực tế chưa gia cường

Giả thiết 1: Dầm bị phá hoại do bê tông thớ trên bị nén vỡ sau khi cốt thép đã bị

= 0,0258144

=> Dầm bị phá hoại theo mô hình FRP bị đứt

Giả thiết 2: Giả thiết dầm bị phá hoại do tấm GFRP bị đứt:

Với giả thiết này ta có: εc<εcu=0,003; εfrp=εfrpu

)/(tan)/(4

2 ' '

' 1 '

c c c

c

c c c

))/(1(90,

0

' 1

2 '

c c

c c

= 0,02159

=> Dầm bị phá hoại theo mô hình GFRP bị đứt

Sức kháng danh định:

Bảng 2-4: Kích thước vật liệu gia cường

Loại gia cường (1)

Dầm thực tế (2)